Усилители электрических сигналов параметрическое усиление. Двухконтурный параметрический усилитель

Параметрический усилитель

радиоэлектронное устройство, в котором усиление сигнала по мощности осуществляется за счёт энергии внешнего источника (так называемого генератора накачки), периодически изменяющего ёмкость или индуктивность нелинейного реактивного элемента электрической цепи усилителя. П. у. применяют главным образом в радиоастрономии (См. Радиоастрономия), дальней космической и спутниковой связи и радиолокации (См. Радиолокация) как малошумящий усилитель слабых сигналов, поступающих на вход радиоприёмного устройства, преимущественно в диапазоне СВЧ. Чаще всего в П. у. в качестве реактивного элемента используют Параметрический полупроводниковый диод (ППД). Кроме того, в диапазоне СВЧ применяют П. у., работающие на электроннолучевых лампах, а в области низких (звуковых) частот -П. у. с ферромагнитным (ферритовым) элементом.

Наибольшее распространение получили двухчастотные (или двухконтурные) П. у.: в сантиметровом диапазоне - регенеративные «отражательные усилители с сохранением частоты» (рис. , а), на дециметровых волнах - усилители - преобразователи частоты (рис. , б) (см. Параметрическое возбуждение и усиление электрических колебаний). В качестве приёмного колебательного контура и колебательного контура, настраиваемого на вспомогательную, или «холостую», частоту (равную чаще всего разности или сумме частот сигнала и генератора накачки), в П. у. обычно используют объёмные резонаторы (См. Объёмный резонатор), внутри которых располагают ППД. В генераторах накачки применяют Лавинно-пролётный полупроводниковый диод , Ганна диод , варактор

ный Умножитель частоты и реже отражательный Клистрон . Частота накачки и «холостая» частота выбираются в большинстве случаев близкими к критической частоте f kp ППД (т. е. к частоте, на которой П. у. перестаёт усиливать); при этом частота сигнала должна быть значительно меньшей f kp . Для получения минимальных шумовых температур (См. Шумовая температура) (10-20 К и менее) применяют П. у., охлаждаемые до температур жидкого азота (77 К), жидкого гелия (4,2 К) или промежуточных (обычно 15-20 К); у неохлаждаемых П. у. шумовая температура 50-100 К и более. Максимально достижимые коэффициент усиления и полоса пропускания П. у. определяются в основном параметрами реактивного элемента. Реализованы П. у. с коэффициентами усиления мощности принимаемого сигнала, равными 10-30 дб, и полосами пропускания, составляющими 10-20% несущей частоты (См. Несущая частота) сигнала.

Лит.: Эткин В. С., Гершензон Е. М., Параметрические системы СВЧ на полупроводниковых диодах, М.. 1964; Лопухин В. М., Рошаль А. С., Электроннолучевые параметрические усилители, М., 1968; СВЧ - полупроводниковые приборы и их применение, пер. с англ., М., 1972; Копылова К. Ф., Терпугов Н. В., Параметрические емкостные усилители низких частот, М., 1973; Penfield P., Rafuse R., Varactor applications, Camb. (Mass.), 1962.

В. С. Эткин.

Эквивалентные схемы параметрических усилителей: а - регенеративного; б - «с преобразованием частоты вверх»; u вх - входной сигнал с несущей частотой f c , u н - напряжение «накачки»; u вых1 - выходной сигнал с несущей частотой f c ; u вых2 - выходной сигнал с несущей частотой (f c + f н); Tp 1 - входной трансформатор; Тр 2 - выходной трансформатор; Тр 2 - трансформатор в цепи «накачки»; Д - параметрический полупроводниковый диод; L - катушка индуктивности колебательного контура, настроенного на частоту (f c + f н); Ф с, Ф сн, Ф н - электрические фильтры, имеющие малое полное сопротивление соответственно при частотах f c , (f c + f н), f н и достаточно большое при всех других частотах.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Параметрический усилитель" в других словарях:

Радиоэлектронноеустройство, в к ром усиление сигнала по мощности осуществляется за счётэнергии внеш. источника (т. н. генератора накачки), периодическиизменяющего ёмкость или индуктивность нелинейного реактивного элементаэлектрич. цепи усилителя … Физическая энциклопедия

Большой Энциклопедический словарь

параметрический усилитель - — Тематики электросвязь, основные понятия EN parametric amplifier …

Усилитель электрических колебаний, в котором основным (усилительным) элементом чаще всего служит варикап. По сравнению с обычными усилителями имеет существенно более низкий уровень собственных шумов. Применяется для усиления слабых сигналов… … Энциклопедический словарь

параметрический усилитель - parametrinis stiprintuvas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. parametric amplifier vok. Parameterverstärker, m; parametrischer Verstärker, m rus. параметрический усилитель, m pranc. amplificateur paramétrique, m … Automatikos terminų žodynas

параметрический усилитель - parametrinis stiprintuvas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. parametric amplifier vok. parametrischer Verstärker, m rus. параметрический усилитель, m pranc. amplificateur paramétrique, m … Fizikos terminų žodynas

Усилитель электрич. сигналов, в к ром мощность сигнала увеличивается за счёт энергии источника, периодически изменяющего значение реактивного параметра системы (обычно ёмкости). П. у. отличается очень малым уровнем внутр. шумов. Используется в… … Большой энциклопедический политехнический словарь

параметрический усилитель света - parametrinis šviesos stiprintuvas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. light parametric amplifier vok. Lichtparameterverstärker, m rus. параметрический усилитель света, m pranc. amplificateur paramétrique de lumière, m … Radioelektronikos terminų žodynas

электронно-лучевой параметрический усилитель - ЭПУ Прибор СВЧ на быстрой циклотронной волне, в котором усиление поперечной кинетической энергии электронного потока осуществляется в резонаторе накачки, расположенном между входным и выходным устройствами связи. [ГОСТ 23769 79] Тематики приборы… … Справочник технического переводчика

Электронно- лучевой параметрический усилитель - 61. Электронно лучевой параметрический усилитель ЭПУ Electron beam parametric amplifier Прибор СВЧ на быстрой циклотронной волне, в котором усиление поперечной кинетической энергии электронного потока осуществляется в резонаторе накачки,… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Рассмотрим конденсатор с переменной ёмкостью

,

меняющейся под действием напряжения накачки u н (t ) = U н cos(w н t ). Пусть к этому конденсатору приложено переменное напряжение u С (t ) = U 1 cos(w 1 t + j ), тогда емкостной ток составит

Таким образом, в спектре тока имеются компоненты с частотами w 1 , w н + w 1 и w н - w 1 . Эти частоты можно выделить с помощью достаточно высокодобротных контуров, настроенных на частоты w 1 и w 2 = w н ± w 1 и связанных общей нелинейной ёмкостью (рис. 65).

Полное сопротивление потерь в первом контуре будет R 1 = R " 1 ||R i (где R i - внутреннее сопротивление источника сигнала). Пусть этот контур настроен на частоту близкую к частоте усиливаемого сигнала, т. е. n 1 » w 1 . Соответственно, второй контур L 2 C 2 R 2 настроен на частоту w 2 = w н ± w 1 (n 2 » w 2). Рассмотрим случай, когда парциальные частоты n 1 и n 2 контуров далеки друг от друга так, что связанность мала. В этом случае нормальные частоты близки к парциальным (сдвиг между парциальной и соответствующей нормальной частотами небольшой и мы можем считать, что он лежит в полосе пропускания контуров, т. е. каждый контур резонирует на своей собственной частоте). Таким образом, свою частоту контур резко усилит, остальные ослабит.

При достаточно высокой добротности контуров сопротивления каждого контура для частот, далёких от его парциальной частоты, практически равны нулю. Таким образом, контур является активной нагрузкой лишь в небольшой области частот вблизи своей парциальной частоты. В рассматриваемой нами схеме в основном контуре активная мощность может выделяться только на частоте w 1 , а в дополнительном - на одной из частот w 2 = w н ± w 1 . Таким образом, раз мы в каждом контуре можем следить только за одной частотой, то для этих частот запишем уравнения гармонического баланса

(7.20)

Пусть в качестве нелинейной ёмкости взят варикап. Тогда, как известно,

.

Поскольку u C = u 1 + u н - u 2 , тогда в рамках гармонического баланса мы должны положить u н = A н cos(w н t ), u 1 = A 1 cos(w 1 t + y 1), u 2 = A 2 cos(w 2 t + y 2) (фазы y 1 и y 2 отсчитаны от напряжения накачки). Подставляя эти выражения в выражение для заряда, получим соотношения для составляющих заряда на ёмкости C на частотах w 1 и w 2:

В этом случае уравнение гармонического баланса (7.20) при воздействии гармонического сигнала i 1 = I 1 cos(w 1 t + j ) принимает вид:

Немного упростим эти выражения, введя парциальные частоты n 1 и n 2 , расстройки x 1 и x 2 , добротности Q 1 и Q 2 контуров усилителя:

,  ;  ,  ;

,  .

Тогда в этих обозначениях уравнение (7.21) примет вид

Полученное соотношение должно выполняться в любой момент времени, поэтому в нём следует приравнять в правой и левой частях коэффициенты при cos(w 1 t + y 1) и sin(w 1 t + y 1). Положим в правой части j = y 1 + (j - y 1); ±y 2 = y 1 + (±y 2 - y 1), тогда после простых тригонометрических преобразований правой части, получим

Возведём в квадрат (7.25) и (7.26) и сложим, тогда можно получить

Напомним, что верхний знак соответствует случаю w 2 = w н + w 1 , а нижний - w 2 = w н - w 1 . Полученное выражение показывает, что амплитуда параметрического усилителя с низкочастотной накачкой (w н = w 2 - w 1) существенно отличается от амплитуды усилителя с высокочастотной накачкой (w н = w 2 + w 1). Рассмотрим теперь отдельно каждый из этих случаев.

В первом случае (при преобразовании вверх) точный максимальный сигнал будет достигнут в результате точной настройки контуров, т. е. x 1 = x 2 = 0. В этом случае амплитуды колебаний в первом и втором контурах:

,  .	(7.29)
Рис. 66. Зависимость амплитуд A 1 и A 2 от амплитуды накачки A н при точной настройке контуров усилителя.	На рис. 66 изображена зависимость A 1 и А 2 от А н при точной настройке контуров усилителя. Из рисунка видно, что амплитуда колебаний в первом контуре монотонно уменьшается по мере увеличения амплитуды накачки. Таким образом, в этом случае усиления сигнала в первом контуре не происходит. Однако, амплитуда колебаний во втором контуре, пропорциональная амплитуде входного сигнала при А н < A 0 растёт с ростом А н . Поэтому в системе возможно усиление с преобразованием частоты вверх, если в качестве

выходного сигнала использовать колебания во втором контуре усилителя. Такой усилитель является нерегенеративным параметрическим усилителем с преобразованием частоты вверх. Определим коэффициент его усиления по мощности. Под коэффициентом усиления по мощности будем понимать отношение мощности на выходе усилителя к мощности входного сигнала, выделяемой на согласованной нагрузке. Если потери первого контура достаточно малы и R i << R " 1 , то R 1 » R i и источник входного сигнала i 1 отдаёт в согласованную нагрузку мощностьn 1 = n 2 . Таким образом, увеличение по мощности связано только с увеличением частоты квантов, а не их числа, поэтому шумы такого усилителя минимальны и он довольно устойчив.

Усилитель же с преобразованием частоты вниз (w 2 = w н - w 1) является обычным регенеративным усилителем и не даёт никаких преимуществ по сравнению с регенеративным режимом одноконтурного усилителя.

Было выяснено, что при определенных условиях параметрические элементы способны играть роль активных элементов в цепи. Это позволяет на их основе создаватьпараметрические усилители , которые имеют низкий уровень собственных шумов, так как в них нет шума тока за счет дробового эффекта. Параметрические усилители в основном применяют в СВЧ-диапазоне как входные каскады радиоприемных устройств с высокой чувствительностью.

В 50-х годах 20 века были сконструированы первые полупроводниковые параметрические диоды (варакторы ). Параметрически управляемые нелинейные емкости и индуктивности изучались в п. 2.3.

Одноконтурный параметрический усилитель. Принципиальная схема такого усилителя показана на рис. 6.8, а, а эквивалентная - на рис. 6.8, б.

Зависимость параметрической емкости от гармонического сигнала накачки на частоте
:

Проводимость
вносится в эквивалентную схему усилителя параметрическим изменением емкости сигналом накачки. Входной сигнал – генератор гармонического тока с амплитудой, частотойи внутренней проводимостью
.,
- проводимость нагрузки. Для реализации параметрического усиления с максимальным выделением мощности на проводимости нагрузки надо выполнить условия:

(6.27)

где
;

(6.29)

так как амплитуда напряжения на зажимах генератора равна , а в нагрузке выделяется активная мощность
.

Если сигнала накачки нет, то в нагрузке выделяется мощность

(6.30)

причем
, так как
.

Номинальным коэффициентом усиления мощности параметрического усилителя называется величина

(6.31)

например, если
См,
См, то.

Критическое значение вносимой отрицательной проводимости, когда параметрический усилитель теряет устойчивость и самовозбуждается,

(6.32)

В условиях (6.32) отрицательная проводимость варактора полностью компенсирует сумму проводимостей входного генератора и нагрузки. Параметрический усилитель работает устойчиво, если
, если же
, то усилитель самовозбуждается и превращается в параметрический автогенератор.

Пусть фазовые соотношения колебаний входного сигнала и накачки оптимальны так, что в (6.27)
. Тогда из (6.27) и (6.32) находим критическую глубину модуляции параметрической емкости сигналом накачки:

(6.33)

Рассмотрим параметрическое усиление в режиме расстройки. Условие синхронизма:
, точно выполнить практически невозможно. Пусть
- расстройка частоты входного сигнала, то есть
. Если
, то усилитель работает васинхронном режиме. Тогда величина фазового сдвига
, определяющая вносимую в контур проводимость, зависит от времени:. Вносимое сопротивление изменяется как

(6.34)

периодически меняя знак на противоположный со временем.

В результате наблюдаются глубокие изменения уровня выходного сигнала, подобные биениям. Данный недостаток препятствует применению одноконтурных усилителей на практике.

Двухконтурный параметрический усилитель. От указанного недостатка свободендвухконтурный параметрический усилитель , схема которого показана на рис. 6.9.

Усилитель состоит из двух колебательных контуров, один из которых настроен на частоту . Этот контур называетсясигнальным. Другой контур, называемыйхолостым, настроен нахолостую частоту
. Связь между контурами достигается посредством параметрической емкости варактора. Сигнал накачки изменяет параметрическую емкость по гармоническому закону на частоте накачки
:

Оба колебательных контура – сигнальный и холостой – высокодобротные. Поэтому в стационарном режиме напряжения на этих контурах – приближенно гармонические:

(6.36)

Согласно рис. 6.9, напряжение на варакторе
. Тогда ток через варактор

(6.37)

Так как , то спектр сигнала (6.37) содержит составляющие на частоте сигнала
, на холостой частоте
, а также на комбинационных частотах
и
. Варактор и холостой контур, подсоединенные последовательно к сигнальному контуру, можно заменить на эквивалентной схеме проводимостью, вносимой в сигнальный контур. Чтобы найти эту проводимость, надо выделить в (6.37) составляющую тока на частоте сигнала:

В (6.38) первое слагаемое сдвинуто относительно напряжения
по фазе на
. Поэтому за счет него нет внесения активной проводимости в сигнальный контур. Второе слагаемое на частоте сигналапропорционально амплитуде
напряжения на холостом контуре. Найдем величину
. Для этого выделим в токе варактора (6.37) полезную составляющую на холостой частоте, пропорциональную
:

(6.39)

Пусть
- резонансное сопротивление холостого контура. Напряжение на нем, вызванное колебаниями на частоте
,

откуда, сопоставляя со вторым выражением в (6.36), получаем:

(6.41)

Подставим выражения (6.41) во второе слагаемое в (6.38). Получим выражение полезной составляющей тока на частоте сигнала за счет влияния варактора и холостого контура:

Проводимость, вносимая в сигнальный контур последовательным соединением варактора и холостого контура,

(6.43)

оказывается активной и отрицательной.

Далее можно рассчитать номинальный коэффициент усиления двухконтурного параметрического усилителя по формуле (6.31). Анализ устойчивости работы двухконтурного усилителя проводят так же, как и для одноконтурного усилителя. Сопоставим друг с другом выражение

(6.27)

для одноконтурного усилителя и (6.43) – для двухконтурного усилителя, получим, что в двухконтурном усилителе вносимая проводимость, в отличие от одноконтурного усилителя, не зависит от начальных фаз входного сигнала и накачки. Кроме того, двухконтурный усилитель, в отличие от одноконтурного усилителя, некритичен к выбору частот сигнала и накачки
. Вносимая проводимость будет отрицательна, если
.

Вывод. Двухконтурный усилитель способен работать при произвольном соотношении частот сигнала и накачки независимо от начальных фаз этих колебаний. Этот эффект обусловлен использованием вспомогательных колебаний, возникающих на одной из комбинационных частот.

Баланс мощностей в многоконтурных параметрических системах. Нечувствительность к фазовым соотношениямпозволяет изучать: многоконтурные параметрические системы на основе энергетических соотношений. Эквивалентная схема двухконтурного параметрического усилителя показана на рис. 6.10.

Здесь параллельно нелинейной емкости
включены три двухполюсника. Два из них содержат источники сигнала и накачки, а третий образует холостой контур, настроенный на комбинационную частоту
, где
и- целые числа. Каждый из трех двухполюсников содержит узкополосный фильтр, настроенный на частоты,
и
, соответственно. Упрощая задачу, считаем, что цепи сигнала и накачки не имеют омических потерь. Если одного из источников (сигнала или накачки) нет, то составляющие на комбинационных частотах в токе, протекающем через нелинейный конденсатор, отсутствуют. Ток холостого контура равен нулю. Система ведет себя как реактивная, то есть в среднем не потребляет мощности источника.

Если есть оба источника, то появляются составляющая тока на комбинационной частоте
. Этот ток может замыкаться через холостой контур. Нагрузка холостого контура в среднем потребляет мощность. В цепях сигнала и накачки появляются активные части сопротивлений. Их значения и знаки определяются перераспределением мощностей между источниками. Применим к автономной (замкнутой) системе рис. 6.10 закон сохранения энергии: средние (по периодам соответствующих колебаний) мощности сигнала, накачки и комбинационных колебаний связаны как

(6.44)

Средняя мощность выражается через энергию, выделяемую за период:

где
- частота.

где
,
и
, или

Выполнение (6.45) независимо от выбора частот и
возможно лишь тогда, когда

(6.47)

В (6.47) перейдем от энергий к мощностям, получим уравнения Мэнли-Роу :

(6.48)

Уравнения Мэнли-Роу позволяют изучать закономерности преобразования мощностей в многоконтурных параметрических системах. Изучим два характерных случая.

Параметрическое усиление с преобразованием частоты “вверх”. Пусть в (6.48)
. Имеем:

(6.49)

Мощность, выделяемая в нагрузке, - положительная, а мощность, отдаваемая в цепь генератором, - отрицательная. Так как в (6.49)
, то
и
(см. рис. 6.11).

Вывод. Если холостой контур параметрического усилителя настроен на комбинационную частоту
, то оба источника – сигнала и накачки, отдают мощность холостому контуру, где она потребляется в нагрузке. Так как
, то коэффициент усиления мощности

(6.50)

Достоинство изучаемой системы – такая устойчивость, что она не может возбудиться ни при каких мощностях сигнала и накачки. Недостаток – частота выходного сигнала выше частоты входного сигнала. В СВЧ диапазоне это приводит к трудностям при обработке сигнала.

Регенеративное параметрическое усиление. Пусть
,
. Тогда частота холостого контура
, и
. Уравнения Мэнли-Роу имеют вид:

(6.51)

Из первого уравнения в (6.51) следует, что
и
. Значит, некоторая часть мощности, отбираемая от генератора накачки, поступает в сигнальный контур. То есть, в системе имеет месторегенерация на частоте сигнала. Выходную мощность можно извлечь как из сигнального, так и из холостого контура (см. рис. 6.12)..

Из уравнений (6.51) нельзя определить коэффициент усиления системы. Так как мощность содержит в себе как часть, потребляемую от входного генератора, так и часть, возникающую за счет эффекта регенерации. При определенных условиях в таких усилителях имеется склонность к самовозбуждению. Тогда в сигнальном контуре выделяется мощность даже в отсутствие полезного сигнала на входе.

Принципиальная схема двухчастотного или, как его часто называют, двухконтурного усилителя изображена на рис. 10.16. Первый, сигнальный, контур настраивается на центральную частоту спектра сигнала (резонансная частота ), а второй, «холостой», контур - на частоту сора, достаточно сильно отличающуюся от .

Частота накачки выбирается из условия

(10.43)

При выборе частоты исходят из условия, что частота сигнала находится вне полосы прозрачности вспомогательного контура. Но комбинационная частота должна находиться вне рабочей полосы сигнального контура.

При выполнении этих условий на сигнальном контуре будет существовать лишь одно напряжение частоты , а на вспомогательном контуре - частоты . Считая амплитуды этих напряжений малыми по сравнению с можно заменить нелинейную емкость , совместно с генератором накачки, линейной параметрической емкостью , изменяющейся с частотой , как это было сделано в § 10.5.

Рис. 10.16. Двухчастотный параметрический усилитель

Тогда под воздействием напряжения сигнала в цепи переменной емкости возникает (помимо других составляющих, не представляющих в данном случае интереса) ток

[см. 10.36)]. Здесь .

На сопротивлении холостого контура ток создает падение напряжения

Эквивалентную ЭДС, воздействующую на емкость С запишем, как и в § 8.16 [см. (8.99)], в форме

Комбинационный ток обусловленный этой ЭДС, по аналогии с выражением (10.44) будет

Заметим, что фаза накачки и частота (он в выражении (10.45) отсутствуют.

С учетом приведенного выше соотношения для последнее равенство можно записать в форме

Как видим, по отношению к сигнальному контуру нелинейная емкость вместе с генератором накачки и холостым контуром может быть замещена проводимостью, учитывающей найденный ток

Комплексная амплитуда этого тока

Комплексная амплитуда напряжения на сигнальном контуре Следовательно, проводимость, шунтирующая сигнальный контур, будет

(10.46)

где - функция комплексно-сопряженная функции

Для резонанса, когда следовательно, сопротивление вспомогательного контура будет и формула (10.46) принимает вид

На схеме замещения, представленной на рис. 10.17, элементы, расположенные слева от штриховой линии, соответствуют сигнальному контуру усилителя, а справа - нелинейной емкости вместе со вспомогательным конту ром. Полученная схема по существу совпадает со схемой одноконтурного усилителя (см. рис. 10.15). Различие лишь в способе определения эквивалент ной отрицательной проводимости.

Подробности, связанные с определением комбинационных колебаний и приведены с целью привлечения внимания к следующим преимуществам двухконтурного усилителя:

а) эквивалентная отрицательная проводимость, а следовательно, и усиление мощности не зависят от фазы напряжения накачки.

б) не требуется соблюдение определенного соотношения между частотами

Оба эти свойства двух контурного усилителя объясняются тем, что полная фаза комбинационного тока в выражении (10.45), определяющая характер эквивалентной проводимости по существу является разностью фаз напряжений накачки . Первая из них имеет вид а вторая (без учета ). При образовании разности выпадает, а разностная частота в любом случае совпадает с частотой сигнала (поскольку ).

Коэффициент усиления двухконтурного усилителя при резонансной частоте можно определить из выражения, аналогичного формуле (10.40):

где вычисляется по формуле (10.46), - проводимость нагрузки сигнального контура.

При отклонении частоты сигнала от резонансной частоты и соответственно частоты от модуль сопротивления уменьшается, что приводит к уменьшению модуля и, следовательно, коэффициента усиления мощности.

Основываясь на выражении (10.46), можно вычислить АЧХ и полосу пропускания двухконтурного усилителя.

Условие устойчивости усилителя в данном случае можно записать в форме

Рассмотрим энергетический баланс в двухчастотном усилителе в зависимости от соотношения частот Пусть заданы частота и мощность сигнала на входе усилителя. Так как с повышением вспомогательной частоты модуль отрицательной величины увеличивается [см. (10.46)], то и также растет [см. (10.48)]. Мощность сигнала на выходе усилителя

Для определения требуемой мощности генератора накачки Рсон, а также мощности выделяемой во вспомогательном контуре, воспользуемся теоремой Мэнли-Роу. На основании выражения (7.104) можно записать следующие соотношения:

(Знак минус в последнем выражении опущен, так как очевидно, что эта мощность отбирается от генератора накачки.) Соотношение мощностей иллюстрируется рис. 10.18. Из этого рисунка видно, что на вспомогательном контуре выделяется мощность, большая, чем на сигнальном. Таким образом, хотя с повышением частоты мощность и растет, распределение мощности, отбираемой от генератора накачки, изменяется в пользу частоты Несмотря на это, часто работают в режиме так как при усилении слабого сигнала основное значение имеет не степень использования мощности , а отношение мощности

Для иллюстрации количественных соотношений в двухчастотном параметрическом усилителе приведем следующий пример.

Пусть требуется осуществить усиление сигнала на частоте при ширине спектра

Исходные данные первого (сигнального) контура: характеристическое сопротивление Ом; внутреннее сопротивление источника сигнала, шунтирующее контур, ; сопротивление нагрузки .

Исходные данные второго (холостого) контура: резонансная частота ; характеристическое сопротивление Ом; сопротивление нагрузки .

Прежде чем вычислять требуемую вариацию емкости варикапа, найдем предельную величину проводимости которую можно подключать к сигнальному контуру при заданной ширине спектра сигнала

Максимальная добротность сигнального контура (при шунтировании отрицательной проводимостью), очевидно, не должна превышать

При результирующая проводимость, шунтирующая первый контур, должна быть не менее

В заключение отметим основные преимущества и недостатки параметрического усилителя.

Важным преимуществом параметрического усилителя является относительно низкий уровень шумов по сравнению с транзисторными или ламповыми усилителями. В § 7.3 отмечалось, что главным источником шумов в транзисторном и ламповом усилителях является дробовой эффект, обусловленный хаотическим переносом дискретных зарядов электронов и дырок (в транзисторе). В параметрическом усилителе аналогичный эффект имеет место в приборе, осуществляющем модуляцию параметра. Например, изменение емкости варикапа происходит за счет перемещений электронов и дырок. Однако интенсивность потока носителей электричества в варикапе во много раз меньше, чем в транзисторе или лампе. В последних интенсивность потока определяет непосредственно мощность полезного сигнала, выделяемого в цепи нагрузки, а в варикапе - всего лишь эффект модуляции параметра. Ослабление влияния дробового эффекта столь значительно, что в параметрическом усилителе уровень шумов определяется в основном тепловыми шумами. В связи с этим часто применяют охлаждение параметрического диода до 5 ... 10.

Недостатком параметрического усилителя является сложность развязки цепей накачки и сигнала.

В схеме, представленной на рисунке 10.14, а, характерной для параметрических усилителей метрового диапазона, развязка осуществляется с помощью разделительных конденсаторов и блокировочных дросселей. В диапазоне СВЧ, на которых особенно широко применяются параметрические усилители, приходится прибегать к весьма сложным конструкциям, сочетающим в одном узле двухчастотную колебательную цепь в виде полых резонаторов, варикап и специальные элементы развязки (циркулятор, направленный ответвитель, поглотитель, заградительный фильтр). Эти вопросы рассматриваются в специальных курсах.

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ - радиоэлектронное устройство, в к-ром усиление сигнала по мощности осуществляется за счёт энергии внеш. источника (т. н. генератора накачки) , периодически изменяющего ёмкость или индуктивность нелинейного реактивного элемента электрич. цепи усилителя. П. у. применяют гл. обр. в радиоастрономии, дальней космич. и спутниковой связи и радиолокации как малошумящий усилитель слабых сигналов, поступающих на вход радиоприёмного устройства, преим. в СВЧ-диапазоне. Чаще всего в П. у. в качестве реактивного элемента используют параметрич. полупроводниковый диод (ППД). Кроме того, в СВЧ-диапазоне применяют П. у., работающие на электронно-лучевых лампах, в области низких (звуковых) частот - П. у. с ферромагн. (ферритовым) элементом.
Наиб. распространение получили двухчастотные (или двухконтурные) П. у.: в сантиметровом диапазоне - регенеративные усилители с сохранением частоты (рис., а) , на дециметровых волнах - усилители - преобразователи частоты (рис., б )(см. Параметрическая генерация и усиление электромагнитных колебаний) . В качестве приёмного колебат. контура и колебат. контура, настраиваемого на вспомогательную, или "холостую", частоту (равную чаще всего разности или сумме частот сигнала и генератора накачки), в П. у. обычно используют объёмные резонаторы , внутри к-рых располагают ППД.

Эквивалентные схемы параметрических усилителей: а - регенеративного; б - с преобразованием частоты "вверх"; u вх - входной сигнал с несущей частотой f с; u в - напряжение накачки; u вых - выходной сигнал с несущей частотой f с; иных:: - выходной сигнал с несущей частотой (f c + f н ); Tp 1 - входной трансформатор; Тр 2 - выходной трансформатор; Тр н - трансформатор в цепи накачки; Д - параметрический полупроводниковый диод; L - катушка индуктивности колебательного контура, настроенного на частоту (f н - f с); Фс, Ф cн, Ф н - электрические фильтры, имеющие малое полное сопротивление соответственно при частотах f с, (f с ± f н), f н и достаточно большое при всех других частотах.

В генераторах накачки применяют лавинно-пролётный диод, Ганна диод , варакторный умножитель частоты и реже отражат. клистрон. Частота накачки и "холостая" частота выбираются в большинстве случаев близкими к критич. частоте f кр ППД (т. е. к частоте, на к-рой П. у. перестаёт усиливать); при этом частота сигнала должна быть значительно меньшей f кр. Для получения мин. шумовых темп-р (10 - 20 К и менее) применяют П. у., охлаждаемые до темп-р жидкого азота (77 К), жидкого гелия (4,2 К) или промежуточных (обычно 15 - 20 К); у неохлаждаемых П. у. шумовая темп-ра 20 - 500 К и более. Максимально достижимые коэф. усиления и полоса пропускания П. у. определяются в осн. параметрами реактивного элемента. Реализованы П. у. с коэф. усиления мощности принимаемого сигнала, равными 10 - 30 дБ, и полосами пропускания, составляющими 10 - 20% несущей частоты сигнала.
П. у. вытесняются транзисторными малошумящими СВЧ-усилителями, как охлаждаемыми, так и неохлаждаемыми, однако продолжают использоваться в миллиметровом диапазоне радиоволн, где они всё ещё превосходят транзисторные усилители.